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_ S emiconductores
La memoria del
futuro
Un filme ferroeléctrico en delgadísimas
capas podrá reemplazar a las películas
ferromagnéticas de las computadoras
Yuri Vasconcelos
U
n filme ferroeléctrico constituido
por finísimas capas de un material
semiconductor podrá utilizarse para la fabricación de memorias que
equipan computadoras y una infinidad de dispositivos electrónicos, con ventajas
sobre las películas ferromagnéticas empleadas
actualmente por la industria de semiconductores para la producción de chips. La capacidad de
almacenamiento de ese nuevo material, creado a
mediados de la década pasada en el Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales
Cerámicos (CMDMC), es hasta 250 veces mayor que la de las memorias convencionales. Su
durabilidad también es inmensamente superior:
alrededor de 300 años, frente a los cinco años
de los chips actuales.
La novedad podrá aportar grandes beneficios
a los consumidores, y también sugerir nuevos
rumbos a la industria de informática y electroelectrónica en el ámbito nacional e internacional,
de acuerdo con los investigadores que toman
parte en este desarrollo. Los trabajos estuvieron
a cargo de dos grupos de investigadores, uno de
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ellos coordinado por el profesor José Arana Varela, del Laboratorio Interdisciplinario de Electroquímica y Cerámica (Liec) de la Universidade
Estadual Paulista (Unesp) de Araraquara, y el
otro por el profesor Elson Longo, del laboratorio también llamado Liec, pero dependiente de
la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).
Actualmente, Varela es director presidente de
la FAPESP, en tanto que Longo, jubilado en la
UFSCar, trabaja en el Liec de la Unesp.
El desarrollo de la película ferroeléctrica se
vale de un nuevo método relativamente sencillo y de bajo costo de deposición química, mediante la utilización de un horno de microondas
casero. Y es producida a partir de una solución
orgánica obtenida de ácidos cítricos, presentes
en frutas tales como el limón y la naranja. Esta solución se emplea en la preparación de un
compuesto sólido y con una estructura química
polimérica similar a la de los plásticos, en cuya
conformación se encuentran el bario, el plomo y
el titanio como componentes. El compuesto va a
un horno simple, con temperatura de hasta 300
grados Celsius, a los efectos de extraerle algunos
elementos orgánicos indeseables, tales como el
carbono. Luego se efectúa la cristalización del
material en un aparato de microondas doméstico
para la obtención de un filme delgado de titanato
de bario y plomo.
“Debimos sortear muchas dificultades técnicas
para desarrollar el filme ferroeléctrico. Cuando
empezamos los trabajos, hace treinta años, ésa
era un área de investigación nueva, ya que todo
el mundo usaba memorias magnéticas. La fabricación de memorias mediante el método químico
era en aquella época la frontera del conocimiento”, afirma Longo. “Cuando decidimos empezar
a investigar este nuevo material, no teníamos
competencia en el área. Tardamos dos años para
elaborar los primeros filmes finos reproductibles
de calidad”, dice. De acuerdo con el investigador,
un aspecto fundamental para el éxito de la empresa fue el carácter multidisciplinario del equipo, integrado por físicos, químicos e ingenieros.
También fue importante la asociación con científicos de otros estados y del exterior para vencer
los obstáculos que surgieron en el transcurso del
trabajo. “Intentamos trabajar con grupos que tenían competencia en áreas que no dominábamos”,
recuerda Longo. Las investigaciones del grupo
empezaron luego de un viaje de Varela a Estados
Unidos, durante el cual mantuvo contacto con la
nueva tecnología. “A su regreso, nos percatamos
de la necesidad de desarrollar filmes finos con
enfoque en las áreas de memoria, sensores y catalizadores”, comenta Longo.
PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Cómo hacerlo
Pero la fabricación de chips con memoria ferroeléctrica requiere de un ambiente extremadamente limpio y profesionales capaces de efectuar
la deposición de filmes delgados. Se entiende que
filme es cualquier película muy delgada que separa dos fases de un sistema, o forma la propia
interfaz de esa separación. Dichas películas se
originan entre dos líquidos, tal como sucede entre
el agua y el aceite, entre un líquido y un vapor o
en las superficies de sólidos. Las investigaciones
en el área de filmes finos sólidos –con espesor
menor que un micrón (la millonésima parte de
un metro)– evolucionan en forma significativa
debido a las ventajas de este material, fundamentalmente en la miniaturización de aparatos
electrónicos.
“Grandes grupos industriales de Estados Unidos, Europa y Asia están invirtiendo millones de
dólares en la obtención de filmes finos ferroeléctricos, pues son compatibles y fácilmente integrables con la actual tecnología de producción
de circuitos integrados que emplean chips de
silicio y de arseniuro de galio”, afirma Longo.
En 2010, científicos de la Universidad de Cornell, Estados Unidos, fueron más allá y lograron
crear un filme de titanato de europio, al mismo
tiempo ferromagnético y ferroeléctrico, logro
que fue considerado una proeza, ya que casi no
existen en la naturaleza materiales que posean
simultáneamente propiedades ferroeléctricas
(eléctricamente polarizados y sin conducción de
corriente) y ferromagnéticas (con campo magnético permanente).
Cuando se somete al titanato de europio al laminado en capas nanométricas, se lo estira y se lo
posiciona sobre un compuesto de disprosio –un
elemento químico del grupo de los lantánidos,
al igual que el europio–, presenta propiedades
ferromagnéticas y ferroeléctricas mejores que
las conocidas actualmente.
Para Jacobus Willibrordus Swart, docente de
la Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Computación de la Universidad de Campinas (Unicamp)
y coordinador del Instituto Nacional de Ciencia y
Tecnología de Sistemas Micro y Nanoelectrónicos (INCT/ Namitec), financiado por el gobierno
federal y la FAPESP, existen buenas posibilidades
de que las memorias ferromagnéticas ocupen
espacio en el mercado, pero eso todavía tardará
algún tiempo. “Puede sonar extraño, pero la industria de microelectrónica y semiconductores es
muy conservadora. Solamente se dedica a nuevos
materiales cuando existe una necesidad urgente
y una demanda justificada”, dice.
“Las memorias ferromagnéticas poseen probadas ventajas técnicas. Empero, para que tengan
futuro, deben ser factibles comercialmente”, dice
Swart. Según el investigador, el cambio de un ma-
pESQUISA FAPESP maio de 2012 _ 159
terial en uso –en este caso, las memorias
magnéticas– por uno nuevo, implica la
realización de ajustes tecnológicos, nuevos procesos de aprendizaje y riesgos de
disminución de la productividad en la
fabricación de chips.
Energía optimizada
Entre las ventajas del uso de filmes ferroeléctricos en la preparación de los
dispositivos electrónicos, en comparación con las cerámicas ferromagnéticas
utilizadas en memorias, ellos señalan
su menor tamaño, su bajo peso, la gran
velocidad de lectoescritura y el bajo voltaje de operación. “Actualmente, en las
pastillas de los semiconductores de 1
centímetro cuadrado de área es posible
archivar 1 megabyte (MB) de información. Con la nueva memoria, será posible
archivar en el mismo espacio 250 MB”,
destaca Longo. Asimismo, los materiales
ferroeléctricos hacen posible la construcción de memorias electrónicas que
no requieren ni un mínimo de energía
para funcionar. “La capacidad de almacenar información está vinculada al ordenamiento de sus átomos”, dice Longo.
C
ada célula de memoria contiene un
único transistor de acceso conectado a un capacitor ferroeléctrico,
un dispositivo que almacena energía en
un campo eléctrico. El transistor actúa
haciendo las veces de interruptor, permitiendo que el circuito de control lea
o escriba los números 0 y 1, del sistema
binario, que se almacenarán en el capacitor. El principio utilizado es el mismo
de los semiconductores magnéticos empleados en las tarjetas de crédito comunes y en las del transporte. “La diferencia
radica en que a las tarjetas magnéticas
hay que apoyarlas sobre una lectora para
pasar la información, en tanto que a las
tarjetas ferroeléctricas puede leérselas
a una distancia de hasta seis metros”,
explica Longo. La lectura se efectúa por
radiofrecuencia. El chip, de unos 2 milímetros cuadrados de superficie, no es
visible. Embutido en las tarjetas o en los
celulares, por ejemplo, posee un sistema
de protección contra hackers.
Hace cuatro años se llegó a pensar en
la posibilidad de construir una fábrica
destinada a la producción de semiconductores ferroeléctricos en São Carlos,
cuya inversión ascendería a los 1.000
millones de reales. Inicialmente, la me-
160 _ especial 50 anos fapesp
El jugo que se convirtió en filme
La materia prima de las películas ferroeléctricas
cristalizadas sale de los limones y las naranjas
1
Se extrae
2
químicamente el
ácido cítrico de los
Se agregan metales
para formar la
estructura de los filmes
limones y naranjas
Titanio
Carbón
3
Plomo
Barrio
Materiales indeseables
Un horno elimina
las impurezas
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
300ºC
Cristal de
4
titanato
mm
icricor
-ooonn
ddaass
En un microondas
se forman los
cristales del filme
de bario
y plomo
Filme
ferroeléctrico
cristalizado
moria de acceso aleatoria ferroeléctrica o FeRAM, también conocida como
memoria no volátil –dado que una vez
removida la energía la información sigue almacenada–, sería producida con
tecnología desarrollada por la empresa
estadounidense Symetrix, creada hace
dos décadas en Estados Unidos por el
brasileño Carlos Paz de Araújo, docente
de ingeniería eléctrica de la Universidad
de Colorado. De acuerdo con los entendimientos iniciales, el CMDMC, uno de
los Centros de Investigación, Innovación
y Difusión (Cepid) de la FAPESP, tendría
una activa participación en el desarrollo de nuevas memorias ferroeléctricas
y nuevos materiales.
“Desafortunadamente las negociaciones no prosperaron y Symetrix decidió instalar su fábrica en China. Fue
una lástima, ya que aparte de la fábrica
en sí misma, estimamos que otras entre
300 y 400 nuevas empresas de la cadena
productiva podrían haberse instalado en
la zona”, informa Elson Longo. Según
éste, el éxito del negocio tropezó con
la dificultad para obtener recursos con
vistas a erigir la planta de São Carlos.
“Symetrix llegó a iniciar tratativas con
un inversor privado nacional que nosotros contactamos, pero la negociación no
prosperó. La instalación de una industria de semiconductores es compleja e
involucra intereses diversificados que no
fueron contemplados”, comenta Longo.
La tecnología desarrollada por Araújo y
su equipo fue licenciada por Panasonic
en Japón, donde se la emplea en tarjetas
de metro y trenes, así como en las licencias de conducir.
rial prometedor con propiedades feLa memoria ferroeléctrica podría utili- rroeléctricas: la ferrita de bismuto, una
zarse también como componente en la aleación de bismuto, hierro y oxígeno.
fabricación de coches y en supermerca- Y puede llegar a erigirse en una alterdos. En el sector automovilístico, podrá nativa a las memorias convencionales,
formar parte de un sistema anticolisio- dado su bajo consumo de energía. “El
nes, una tecnología patentada por Sy- punto débil es la elevada corriente de
metrix. “Con esta memoria es posible fuga, lo que disminuye su aplicabilidad.
instalar un sistema de seguridad en los Estamos trabajando para disminuir la
automóviles con sensores en el rango corriente de fuga”, dice Longo. Según
del infrarrojo, que funcionarán como cá- él, hasta ahora, la principal aplicación
maras de visión nocturna para detectar del nuevo material, sintetizado por rula presencia de gente, animales o autos sos y estadounidenses, está vinculada
detenidos en un rango entre 100 y 200 al desarrollo de sensores.
La investigación que resultó en los filmetros delante del vehículo”, explica. En
los supermercados, la utilización de la mes delgados de titanato de bario y de plomemoria ferroeléctrica en lugar de los mo forma parte de una carrera mundial
que ya dura alrededor
códigos de barras hará
de 30 años, cuyo obposible la concreción
jetivo es superar uno
de un control integrade los problemas de
do de los productos.
En los
la microelectrónica:
Informaciones tales
coches y en
el tamaño de la célula
como la fecha de vende memoria. Esta piecimiento del produclos códigos
za está disminuyendo
to, el nombre del fade tamaño anualmenbricante, el precio, las
de barra,
te a los efectos de auexistencias y la cantimentar la cantidad de
dad comprada estarán
otras
dispositivos y de sumialojadas en un disposiposibles
nistrarles una mayor
tivo del tamaño de la
capacidad de archivapunta de un alfiler. “No
aplicaciones
do y procesamiento de
es meramente un códidatos a las computadogo de barras, sino una
ras. Los científicos vinmemoria inteligente”,
culados al grupo que
dice Longo.
dio origen al CMDMC
“Cada etiqueta con
empezaron a estudiar
un chip embutido podrá costar menos de dos centavos de real”, los materiales ferroeléctricos en 1992. El
subraya Varela. El consumidor que salga conocimiento que surgió de dichos esde compras sabrá anticipadamente cuánto tudios resultó en la publicación de 208
ha gastado al pasar a una distancia de tres artículos científicos en revistas nacionao cuatro metros de un tablero. De aceptar les e internacionales. Desde 2000, cuanconcluir la compra, antes de salir por la do se creó ese Cepid, se han graduado 18
puerta se le hará el débito en la tarjeta que doctores y 22 magísteres en materiales
carga en su bolsillo. “Mientras que una ferroeléctricos.
tarjeta magnética (como las de crédito
o débito) dura entre cuatro y cinco años,
as novedades presentadas por los
la tarjeta ferroeléctrica puede utilizarse
equipos de los profesores Longo y
hasta un billón de veces para las funciones
Varela, quienes, juntos, coordinade escribir y leer en forma eléctrica (la ron tres proyectos temáticos de la FAforma en que se graban las informaciones PESP –Desarrollo de Cerámicas y Filmes
en la memoria ferroeléctrica), lo que da Ferroeléctricos mediante el Control de
un promedio de vida útil de 300 años”, la Microestructura, Síntesis y Caracteexplica Varela. Una de las razones para rización de Filmes Finos y Cerámicas
ese menor tiempo de vida útil de las tarje- Ferroeléctricas y La Influencia de la Textas magnéticas radica en la necesidad de turización y los Defectos Cristalinos socontacto directo para efectuar la lectura. bre las Propiedades Ferroeléctricas de
El grupo de la Unesp de Araraqua- Filmes Finos y Cerámicos–, podrán en
ra sintetizó recientemente otro mate- el futuro reducir la histórica dependenEn el supermercado
infográfico Tiago cirilo fonte: José Arana Varela/Unesp, Elson Longo/UFSCar
‘
L
cia brasileña de las importaciones de
dispositivos semiconductores, que llegaron a un monto de 4.900 millones de
dólares en 2011, de acuerdo con datos de
la Asociación Brasileña de la Industria
Eléctrica y Electrónica (Abinee), un valor un 10% superior al del año anterior.
El mercado mundial de semiconductores es multimillonario, y de acuerdo
con información de la Semicondutor
Industry Association (la Asociación de
la Industria de Semiconductores, en castellano), movió 299.500 millones de dólares en 2011, un récord histórico. Hace
algunos años que el gobierno brasileño
intenta infructuosamente atraer a una
multinacional de semiconductores para que se instale en el país. En 2010 se
inauguró la fábrica de Ceitec en Porto
Alegre. La estatal, ligada al Ministerio
de Ciencia y Tecnología, es apuntada
como el embrión de la fábrica brasileña
de semiconductores. n
Los proyectos
1. Desarrollo de Cerámicas y Filmes Ferroeléctricos
mediante el Control de la Microestructura – nº 1998/
14324-0 (2000-2012); Modalidades Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Coordinadores
Elson Longo – Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos, UFSCar; Inversión R$
21.025.671,96 por año para todo el CMDMC.
2. Síntesis y Caracterización de Filmes Finos y Cerámicas Ferroeléctricas – nº 2000/ 01991-0 (2000-2005);
Modalidades Ayuda a la Investigación – Proyecto Temático; Coordinadores José Arana Varela – Laboratorio
Interdisciplinario de Electroquímica y Cerámica, Unesp;
Inversión R$ 1.319.395,06.
3. La Influencia de la Texturización y los Defectos Cristalinos en las Propiedades Ferroeléctricas de Filmes
Finos y Cerámicos – nº 2004/ 14932-3 (2005-2009);
Modalidades Ayuda a la Investigación – Proyecto Temático; Coordinadores José Arana Varela – Laboratorio
Interdisciplinario de Electroquímica y Cerámica, Unesp;
Inversión R$ 704.506,70.
Artículos científicos
1. COSTA, C. E. F. et al. Influence of strontium concentration on the structural, morphological, and electrical
properties of lead zirconate titanate thin films. Applied
Physics A: Materials Science & Processing. v. 79, n. 3,
p. 593-97, 2004.
2. SIMÕES, A. Z. et al. Electromechanical properties of
calcium bismuth titanate films: A potential candidate
for lead-free thin-film piezoelectrics. Applied Physics
Letters, v. 88, p. 72916-19, 2006.
De nuestro archivo
Memorias del futuro, Edición nº 153 – noviembre de
2008; Una inversión de peso, Edición nº 144 – febrero
de 2008. Magnéticas y sensibles, Edición nº 175 – septiembre de 2010; Conductores al horno, Edición nº 97
– marzo de 2004; Seguridad para crecer, Edición nº 72
– febrero de 2002; Mayor capacidad de memoria, Edición
nº 52 – abril de 2000.
pESQUISA FAPESP maio de 2012 _ 161